Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

De nos jours, les systèmes automatisés sont omniprésent : processus industriels, avionique, énergie atomique... La présence de tels systèmes dans des applications critiques, couplée à leur complexité rend indispensable leur vérification de façon automatique afin de garantir la sûreté de leur fonctionnement. En plus, les contraintes économiques imposent un temps de développement court, ce qui rend accru le besoin de méthodes de vérification efficaces et à coût réduit. Les algorithmes de Model-Checking sont conçus pour la vérification totale des systèmes en parcourant leurs graphes d'états. Cependant, les graphes d'états des systèmes logiciels réels ont de très grandes tailles (explosion combinatoire de la taille de l'espace d'états). Ce phénomène constitue l'obstacle principal de la vérification automatique par model checking. Alternativement, on a recours à l'exploration partiel via des algorithmes randomises. Au lieu d'abandonner l'exploration par manque de ressources et ne retourner aucune réponse quant à la validité du système, le résultat de la vérification est donné approximativement avec une probabilité d'erreur que l'on peut contrôler. La majorité des méthodes randomisées de vérification utilisent la marche aléatoire comme schéma d'exploration. Les méthodes que nous proposons opèrent sur le schéma de l'exploration même ainsi que sur le remplacement en mémoire pour apporter des performances importantes. Ces algorithmes présentent un jeu assez complet de stratégies d'exploration: en profondeur, en largeur, ou alternativement selon un paramètre de mixage prédéfini. Le choix de ce paramètre est guidé par un facteur de densité DF caractéristique du graphe considéré.

Th. univ.--Informatique--Paris 8, 1994. / Bibliogr. p. 173-180. Index.

Cette thèse aborde le problème du manque de performance des outils exploitant des représentationsà base de graphes en reconnaissance des formes. Nous proposons de contribuer aux nouvellesméthodes proposant de tirer partie, à la fois, de la richesse des méthodes structurelles et de la rapidité des méthodes de reconnaissance de formes statistiques. Deux principales contributions sontprésentées dans ce manuscrit. La première correspond à la proposition d'une nouvelle méthode deprojection explicite de graphes procédant par analyse multi-facettes des graphes. Cette méthodeeffectue une caractérisation des graphes suivant différents niveaux qui correspondent, selon nous,aux point-clés des représentations à base de graphes. Il s'agit de capturer l'information portéepar un graphe au niveau global, au niveau structure et au niveau local ou élémentaire. Ces informationscapturées sont encapsulés dans un vecteur de caractéristiques numériques employantdes histogrammes flous. La méthode proposée utilise, de plus, un mécanisme d'apprentissage nonsupervisée pour adapter automatiquement ses paramètres en fonction de la base de graphes àtraiter sans nécessité de phase d'apprentissage préalable. La deuxième contribution correspondà la mise en place d'une architecture pour l'indexation de masses de graphes afin de permettre,par la suite, la recherche de sous-graphes présents dans cette base. Cette architecture utilise laméthode précédente de projection explicite de graphes appliquée sur toutes les cliques d'ordre 2pouvant être extraites des graphes présents dans la base à indexer afin de pouvoir les classifier.Cette classification permet de constituer l'index qui sert de base à la description des graphes etdonc à leur indexation en ne nécessitant aucune base d'apprentissage pré-étiquetées. La méthodeproposée est applicable à de nombreux domaines, apportant la souplesse d'un système de requêtepar l'exemple et la granularité des techniques d'extraction ciblée (focused retrieval). / This thesis addresses the problem of lack of efficient computational tools for graph based structural pattern recognition approaches and proposes to exploit computational strength of statistical pattern recognition. It has two fold contributions. The first contribution is a new method of explicit graph embedding. The proposed graph embedding method exploits multilevel analysis of graph for extracting graph level information, structural level information and elementary level information from graphs. It embeds this information into a numeric feature vector. The method employs fuzzy overlapping trapezoidal intervals for addressing the noise sensitivity of graph representations and for minimizing the information loss while mapping from continuous graph space to discrete vector space. The method has unsupervised learning abilities and is capable of automatically adapting its parameters to underlying graph dataset. The second contribution is a framework for automatic indexing of graph repositories for graph retrieval and subgraph spotting. This framework exploits explicit graph embedding for representing the cliques of order 2 by numeric feature vectors, together with classification and clustering tools for automatically indexing a graph repository. It does not require a labeled learning set and can be easily deployed to a range of application domains, offering ease of query by example (QBE) and granularity of focused retrieval.

On réfléchit à une façon de déterminer une fraction rationnelle postcritiquement finie à conjugaison par une transformation de Möbius près, à l'aide de graphes planaires finis munis de la dynamique de l'application. Étant donné une telle fraction rationnelle f, on définit un ensemble G(f) de classes d'équivalences de graphes admissibles (des graphes planaires finis invariants, connexes, qui contiennent l'ensemble postcritique de f). On montre que si G(f) est non vide, alors f et g sont conjuguées par une transformation de Möbius si et seulement si l'intersection entre G(f) et G(g) est non vide. Cela nous amène à réfléchir à la construction de graphes admissibles pour une fraction rationnelle postcritiquement finie. On montre qu'une intersection non vide entre les bords de deux composantes de Fatou périodiques contient au moins un point périodique. On construit des graphes admissibles pour certains éléments de la famille des fractions rationnelles quadratiques dont l'un des deux points critiques est l'image de l'autre, avec des techniques utilisables dans de nombreuses autres familles. / We think of a way to determine a postcritically finite rational map up to Möbius conjugacy, using planar finite graphs fitted with the dynamics of themap. Givensuch a rational map f, we define a set G(f)of equivalence classes of admissible graphs (invariant, connected planar finite graphs containing the postcritical set). We show that if G(f) is non-empty, then f and g are Möbius conjugate if and only if G(f)nG(g) unequal Ø. This leads us to think about the construction of admissible graphs for a postcritically finite rational map. We show that a non-empty intersection between the boundaries of two periodic Fatou components contains at least one periodic point. We construct admissible graphs for some elements of the family of quadratic rational maps whose one of the two critical points is the image of the other, with technics usable in a lot of other families.

L'analyse de réseaux (représentés par des graphes) est une composante importante dans la compréhension de systèmes complexes issus de nombreuses disciplines telles que la biologie, la géographie ou la sociologie. Nous nous intéressons dans cette thèse aux décompositions de ces réseaux. Ces décompositions sont utiles pour la compression des données, la détection de communautés ou la visualisation de graphes. Une décomposition possible est un partitionnement hiérarchique des sommets du graphe. Nous traitons de l'évaluation de la qualité de telles structures (leur capacité à bien capturer la topologie du graphe) par le biais de mesures de qualité. Nous discutons ensuite l'utilisation de ces mesures en tant que fonctions objectives à maximiser dans le cadre d'algorithmes de partitionnement. Enfin, nous nous intéressons à la définition de métaphores visuelles efficaces permettant de représenter différentes décompositions de graphes. / Network analysis is an important step in the understanding of complex systems studied in various areas such as biology, geography or sociology. This thesis focuses on the problems related to the decomposition of those networks when they are modeled by graphs. Graph decomposition methods are useful for data compression, community detection or network visualisation. One possible decomposition is a hierarchical partition of the set of vertices. We propose a method to evaluate the quality of such structures using quality measures and algorithms to maximise those measures. We also discuss the design of effective visual metaphors to represent various graph decompositions.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à trois problèmes issus de l'informatique théorique, à savoir le placement de formes rectangulaires dans un conteneur (OPP), la coloration dite "forte" d'arêtes des graphes et les codes identifiants dans les graphes. L'OPP consiste à décider si un ensemble d'items rectangulaires peut être placé sans chevauchement dans un conteneur rectangulaire et sans dépassement des bords de celui-ci. Une contrainte supplémentaire est prise en compte, à savoir l'interdiction de rotation des items. Le problème est NP-difficile même dans le cas où le conteneur et les formes sont des carrés. Nous présentons un algorithme de résolution efficace basé sur une caractérisation du problème par des graphes d'intervalles, proposée par Fekete et Schepers. L'algorithme est exact et utilise les MPQ-arbres - structures de données qui encodent ces graphes de manière compacte tout en capturant leurs propriétés remarquables. Nous montrons les résultats expérimentaux de notre approche en les comparant aux performances d'autres algorithmes existants. L'étude de la coloration forte d'arêtes et des codes identifiants porte sur les aspects structurels et de calculabilité de ces deux problèmes. Dans le cas de la coloration forte d'arêtes nous nous intéressons plus particulièrement aux familles des graphes planaires et des graphes subcubiques. Nous montrons des bornes optimales pour l'indice chromatique fort des graphes subcubiques en fonction du degré moyen maximum et montrons que tout graphe planaire subcubique sans cycles induits de longueur 4 et 5 est coloriable avec neuf couleurs. Enfin nous confirmons la difficulté du problème de décision associé, en prouvant qu'il est NP-complet dans des sous-classes restreintes des graphes planaires subcubiques.La troisième partie de la thèse est consacrée aux codes identifiants. Nous proposons une caractérisation des graphes identifiables dont la cardinalité du code identifiant minimum ID est n-1, où n est l'ordre du graphe. Nous étudions la classe des graphes adjoints et nous prouvons des bornes inférieures et supérieures serrées pour le paramètre ID dans cette classe. Finalement, nous montrons qu'il existe un algorithme linéaire de calcul de ID dans la classe des graphes adjoints L(G) où G a une largeur arborescente bornée par une constante. En revanche nous nous apercevons que le problème est NP-complet dans des sous-classes très restreintes des graphes parfaits. / In this thesis we study three theoretical computer science problems, namely the orthogonal packing problem (OPP for short), strong edge-colouring and identifying codes.OPP consists in testing whether a set of rectangular items can be packed in a rectangular container without overlapping and without exceeding the borders of this container. An additional constraint is that the rotation of the items is not allowed. The problem is NP-hard even when the problem is reduced to packing squares in a square. We propose an exact algorithm for solving OPP efficiently using the characterization of the problem by interval graphs proposed by Fekete and Schepers. For this purpose we use some compact representation of interval graphs - MPQ-trees. We show experimental results of our approach by comparing them to the results of other algorithms known in the literature. we observe promising gains.The study of strong edge-colouring and identifying codes is focused on the structural and computational aspects of these combinatorial problems. In the case of strong edge-colouring we are interested in the families of planar graphs and subcubic graphs. We show optimal upper bounds for the strong chromatic index of subcubic graphs as a function of the maximum average degree. We also show that every planar subcubic graph without induced cycles of length 4 and 5 can be strong edge-coloured with at most nine colours. Finally, we confirm the difficulty of the problem by showing that it remains NP-complete even in some restricted classes of planar subcubic graphs.For the subject of identifying codes we propose a characterization of non-trivial graphs having maximum identifying code number ID, that is n-1, where n is the number of vertices. We study the case of line graphs and prove lower and upper bounds for ID parameter in this class. At last we investigate the complexity of the corresponding decision problem and show the existence of a linear algorithm for computing ID of the line graph L(G) where G has the size of the tree-width bounded by a constant. On the other hand, we show that the identifying code problem is NP-complete in various subclasses of planar graphs.

Cette thèse traite de la cartographie et de la reconnaissance de lieux par vision en robotique mobile. Les recherches menées visent à identifier comment les modèles de localisation peuvent être améliorés en enrichissant les représentations existantes afin de mieux exploiter l'information visuelle disponible. Les problèmes de la cartographie et de la reconnaissance visuelle de lieux présentent un certain nombre de défis : les solutions doivent notamment être robustes vis-à-vis des scènes similaires, des changements de points de vue de d'éclairage, de la dynamique de l'environnement, du bruit des données acquises. La définition de la manière de modéliser et de comparer les observations de lieux est donc un élément crucial de définition d'une solution opérationnelle. Cela passe par la spécification des caractéristiques des images à exploiter, par la définition de la notion de lieu, et par des algorithmes de comparaison des lieux. Dans la littérature, les lieux visuels sont généralement définis par un ensemble ou une séquence d'observations, ce qui ne permet pas de bien traiter des problèmes de similarité de scènes ou de reconnaissance invariante aux déplacements. Dans nos travaux, le modèle d'un lieu exploite la structure d'une scène représentée par des graphes de covisibilité, qui capturent des relations géométriques approximatives entre les points caractéristiques observés. Grâce à cette représentation, un lieu est identifié et reconnu comme un sous-graphe. La reconnaissance de lieux exploite un modèle génératif, dont la sensibilité par rapport aux similarités entre scènes, aux bruits d'observation et aux erreurs de cartographie est analysée. En particulier, les probabilités de reconnaissance sont estimées de manière rigoureuse, rendant la reconnaissance des lieux robuste, et ce pour une complexité algorithme sous-linéaire en le nombre de lieux définis. Enfin les modèles de lieux basés sur des sacs de mots visuels sont étendus pour exploiter les informations structurelles fournies par le graphe de covisibilité, ce qui permet un meilleur compromis entre la qualité et la complexité du processus de reconnaissance. / This thesis deals with the task of appearance-based mapping and place recognition for mobile robots. More specifically, this work aims to identify how location models can be improved by exploring several existing and novel location representations in order to better exploit the available visual information. Appearance-based mapping and place recognition presents a number of challenges, including making reliable data-association decisions given repetitive and self-similar scenes (perceptual aliasing), variations in view-point and trajectory, appearance changes due to dynamic elements, lighting changes, and noisy measurements. As a result, choices about how to model and compare observations of locations is crucial to achieving practical results. This includes choices about the types of features extracted from imagery, how to define the extent of a location, and how to compare locations. Along with investigating existing location models, several novel methods are developed in this work. These are developed by incorporating information about the underlying structure of the scene through the use of covisibility graphs which capture approximate geometric relationships between local landmarks in the scene by noting which ones are observed together. Previously, the range of a location generally varied between either using discrete poses or loosely defined sequences of poses, facing problems related to perceptual aliasing and trajectory invariance respectively. Whereas by working with covisibility graphs, scenes are dynamically retrieved as clusters from the graph in a way which adapts to the environmental structure and given query. The probability of a query observation coming from a previously seen location is then obtained by applying a generative model such that the uniqueness of an observation is accounted for. Behaviour with respect to observation errors, mapping errors, perceptual aliasing, and parameter sensitivity are examined, motivating the use of a novel normalization scheme and observation likelihoods representations. The normalization method presented in this work is robust to redundant locations in the map (from missed loop-closures, for example), and results in place recognition which now has sub-linear complexity in the number of locations in the map. Beginning with bag-of-words representations of locations, location models are extended in order to include more discriminative structural information from the covisibility map. This results in various representations ranging between unstructured sets of features and full graphs of features, providing a tradeoff between complexity and recognition performance.

Dans ce travail, nous considérons le problème suivant : étant donné un graphe orienté D, contient-il une subdivision d’un digraphe fixé F ? Nous pensons qu’il existe une dichotomie entre les instances polynomiales et NP-complètes. Nous donnons plusieurs exemples pour les deux cas. En particulier, sauf pour cinq instances, nous sommes capable de classer tous les digraphes d’ordre 4. Alors que toutes les preuves NP-complétude sont faites par réduction de une version du problème 2-linkage en digraphes, nous utilisons différents outils algorithmiques pour prouver la solvabilité en temps polynomial de certains cas, certains d’entre eux impliquant des algorithmes relativement complexes. Les techniques varient des simples algorithmes de force brute, aux algorithmes basés sur des calculs maximale de flot, et aux décompositions en anses des digraphes fortement connexes, entre autres. Pour terminer, nous traitons le cas particulier où F étant une union disjointe de cycles dirigés. En particulier, nous montrons que les cycles dirigés de longueur au moins 3 possède la Propriété d’Erdos-Pósa : pour tout n, il existe un entier tn tel que pour tout digraphe D, soit D a n cycles dirigés disjoints de longueur au moins 3, soit il y a un ensemble T d’au plus tn sommets qui intersecte tous les cycles dirigés de longueur au moins 3. De ce résultat, nous déduisons que si F est l’union disjointe de cycles dirigés de longueur au plus 3, alors on peut décider en temps polynomial si un digraphe contient une subdivision de F. / In this work, we consider the following problem: Given a directed graph D, does it contain a subdivision of a prescribed digraph F? We believe that there is a dichotomy between NP-complete and polynomial-time solvable instances of this problem. We present many examples of both cases. In particular, except for five instances, we are able to classify all the digraphs F of order 4.While all NP-hardness proofs are made by reduction from some version of the 2-linkage problem in digraphs, we use different algorithmic tools for proving polynomial-time solvability of certain instances, some of them involving relatively complicated algorithms. The techniques vary from easy brute force algorithms, algorithms based on maximum-flow calculations, handle decompositions of strongly connected digraphs, among others. Finally, we treat the very special case of F being the disjoint union of directed cycles. In particular, we show that the directed cycles of length at least 3 have the Erdos-Pósa Property: for every n, there exists an integer tn such that for every digraph D, either D contains n disjoint directed cycles of length at least 3, or there is a set T of tn vertices that meets every directed cycle of length at least 3. From this result, we deduce that if F is the disjoint union of directed cycles of length at most 3, then one can decide in polynomial time if a digraph contains a subdivision of F.

Réalisé avec le support financier du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG) et du Fonds de Recherche du Québec – Nature et technologies (FRQNT). / Ce mémoire étudie le jeu de policiers-voleur et contient trois articles, chacun portant sur une classe de graphes spécifique. Dans le premier chapitre, la notation et les définitions de base de la théorie de graphe qui nous serons utiles sont introduites. Bien que chaque article comporte une introduction citant les concepts et résultats pertinents, le premier chapitre de ce mémoire contient aussi une introduction générale au jeu de policiers-voleur et présente certains des résultats majeurs sur ce jeu. Le deuxième chapitre contient l’article écrit avec Seyyed Aliasghar Hosseini et Peter Bradshaw portant sur le jeu de policiers-voleurs sur les graphes de Cayley abéliens. Nous améliorons la borne supérieure sur le cop number de ces graphes en raffinant les méthodes utilisées précédemment par Hamidoune, Frankl et Bradshaw. Le troisième chapitre présente l’article concernant le cop number des graphes 2K2-libres. Plus précisément, il est prouvé que 2 policiers peuvent toujours capturer le voleur sur ces graphes, prouvant ainsi la conjecture de Sivaraman et Testa. Finalement, le quatrième chapitre est l’article écrit avec Samuel Yvon et porte sur les graphes qui ont cop number 4. Nous montrons que tous ces graphes ont au moins 19 sommets. En d’autres mots, 3 policiers peuvent toujours capturer le voleur sur tout graphe avec au plus 18 sommets, ce qui répond par la négative à une question de Andreae formulée en 1986. Un pan important de la preuve est faite par ordinateur; ce mémoire contient donc une annexe comprenant le code utilisé. / This thesis studies the game of cops and robbers and consists of three articles, each considering a specific class of graphs. In the first chapter, notation and basic definitions of graph theory are introduced. Al- though each article has an introduction citing the relevant concepts and results, the first chapter of this thesis also contains a general introduction to the game of cops and robbers and presents some of its major results. The second chapter contains the paper written with Seyyed Aliasghar Hosseini and Peter Bradshaw on the game of cops and robbers on abelian Cayley graphs. We improve the upper bound on the cop number of these graphs by refining the methods used previously by Hamidoune, Frankl and Bradshaw. The third chapter presents the paper concerning the cop number of 2K2-free graphs. More precisely, it is proved that 2 cops can always catch the robber on these graphs, proving a conjecture of Sivaraman and Testa. Finally, the fourth chapter is the paper written with Samuel Yvon which deals with graphs of cop number 4. We show that such graphs have at least 19 vertices. In other words, 3 cops can always catch the robber on any graph with at most 18 vertices, which answers in the negative a question by Andreae from 1986. An important part of the proof is by computer; this thesis thus has an appendix containing the code used.